Forme ale efectului fotoelectric. PhotoEffect externe Legi
Ipoteza lui Planck, alege strălucit să conteste termic radiația corpului negru a fost confirmat și dezvoltat în continuare în explicarea efectului fotoelectric - fenomenul, descoperirea și studiul care a jucat un rol important în dezvoltarea teoriei cuantice. Distinge efect fotoelectric extern, intern și supapă. efect fotoelectric extern (PhotoEffect) se numește materialul de emisie a electronilor prin radiație electromagnetică. Efectul fotoelectric extern se observă în solide (metale, semiconductori, dielectrice), precum și gaze din atomii individuali si molecule (photoionization). Efectul fotoelectric este detectat (1887) de către H. Hertz, creșterea observată a procesului de descărcare prin iradierea razelor ultraviolete ale eclator.
Primul studiu fundamental al efectului fotoelectric realizat de savantul A. G. Stoletovym română. Concept pentru studiul efectului fotoelectric este prezentat în Fig. 289.
Doi electrozi (K 'catod de metal și a anodului A - schema utilizată în plasă din oțel Stoletova) într-un tub cu vid conectat la PGG Bata, astfel încât prin potentiometru R nu se poate schimba doar valoarea și semnul tensiunii aplicate acestora. Curentul generat la catod iluminate cu lumină monocromatică (printr-o fereastră de cuarț), milliammeter măsurat inclus în circuit. Catod iradiind lumina de diferite lungimi de undă, Stoletov găsit următoarele modele nu sunt pierdut importanta pentru timpul nostru: 1) prevede acțiunea cea mai eficientă de radiații ultraviolete; 2) sub acțiunea substanței ușoare pierde taxe numai negative; 3) de curent, datorită acțiunii luminii este direct proporțională cu intensitatea ei.
J. 1898 Thomson A măsurat încărcătura specifică a particulelor emise de acțiunea luminii (din abaterea în câmpurile electrice și magnetice). Aceste măsurători au arătat că electronii sunt trase sub influența luminii.
Efectul fotoelectric intern - acest lucru este cauzat de radiațiile electromagnetice, tranzițiile de electroni în semiconductoare sau dielectrice a statelor legat în disponibilitatea fără plecare spre exterior. Ca rezultat, densitatea purtătoare din interiorul corpului creste, ceea ce duce la vozniknoveniyufotoprovodimosti (crește conductivitatea electrică a semiconductorului sau dielectric când este aprins), sau la apariția unei emf
Valve efect fotoelectric o variație a efectului fotoelectric intern; - apariția unui emf (Forță electromotoare Photo.) Sub iluminarea contactului între doi semiconductori diferiți sau un semiconductor și un metal (în absența unui câmp electric extern). se deschide supapa de PhotoEffect, astfel încât calea pentru conversia directă a energiei solare în energie electrică.
Fig. 289 prezintă stabilirea experimentală pentru studiul caracteristicilor volt-ampere fotoelectrici clorhidric - dependența fotocurentului / formate prin fluxul de electroni emiși de catod sub influența luminii, tensiunea U între electrozi. O astfel de dependență corespunzătoare celor două iluminărilor diferite E, catodul (frecvența luminii aceeași în ambele cazuri), este prezentată în Fig. 290. U crește fotocurentilor treptat, adică. E. Creșterea numărului de fotoelectroni care ajung la anod. Natura blândă a curbelor arată că electronii emiși de catod la viteze diferite. Valoarea maximă a curentului Inas - saturație fotocurentul - U valoarea astfel stabilită, prin care toți electronii emiși de catod ajunge la anod:
unde n - numărul de electroni emiși de catod 1.
Din caracteristicile curent-tensiune, rezultă că la U = 0 fotocurent dispare. Prin urmare, electronii ejectate de la catod prin lumină, au o anumită viteză v inițială, și, astfel, se deosebește de energia cinetică zero și se poate ajunge la anod fără un câmp extern. Pentru fotocurentul a fost egal cu zero, este necesar să se aplice U0 tensiune retardare. Când U = U0 nici unul dintre electroni având chiar și atunci când pleacă de la viteza maximă Vmax catod. nu poate depăși domeniul retardare și să ajungă la anod. Prin urmare,
t. e. delay de măsurare de tensiune U0. Puteți defini valorile maxime ale vitezei și energia cinetică a fotoelectronilor.
Atunci când studiul caracteristicilor curent-tensiune a unei varietăți de materiale (netezimea suprafeței este importantă, astfel încât măsurătorile se efectuează în vid și suprafețe proaspete) la diferite frecvențe de incidente radiație pe catod și un catod iradiantă diferit și rezumă datele obținute în urma celor trei legi ale efectului fotoelectric extern au fost stabilite.
I. Legea Stoletov. la o frecvență fixă a incidentului lumina numărul de fotoelectroni eliberat de catod pe unitatea de timp este proporțională cu intensitatea luminii (saturație puterea fotocurentul proporțională cu iradianța catod său).
II. Viteza maximă inițială (energia cinetică maximă inițială) a fotoelectronilor nu depinde de intensitatea luminii incidente, și este determinată numai de frecvența v acestuia.
III. Pentru fiecare substanță există fotoelectric prag, t. E. Minim lumină v0 frecvență (în funcție de natura chimică a substanței și starea suprafeței sale), sub care efectul fotoelectric este imposibilă.
O explicație calitativă a efectului fotoelectric din punctul val de vedere, la prima vedere, nu trebuia să fie dificil. Într-adevăr, sub influența câmpului undei de lumină în metal apar oscilații ale electronilor a căror amplitudine (de exemplu, rezonanță) poate fi suficientă pentru a se asigura că electronii părăsesc metalul forțat; apoi a observat efectul fotoelectric. Energia cinetică a electronilor scăpau din metal ar trebui să depindă de intensitatea luminii incidente, deoarece o creștere în ultimul electron pentru a transfera mai multa energie. Cu toate acestea, această concluzie este contrară legii efectului fotoelectric II. Deoarece, conform teoriei valurilor, energia electronilor transmise este proporțională cu intensitatea luminii, lumina orice frecvență, dar o intensitate suficient de mare ar trebui să tragă electroni din metal; cu alte cuvinte, pragul fotoelectric nu ar trebui să fie contrară IIIzakonu efectului fotoelectric. În plus, teoria undei nu a putut explica absenta inerției efectului fotoelectric, stabilit prin experimente. Astfel, efectul fotoelectric este inexplicabil din punct de vedere al teoriei val de lumină.
ecuația Einstein pentru PhotoEffect extern. Confirmarea experimentală a naturii cuantice a luminii
Albert Einstein în 1905 a arătat că efectul fotoelectric și legile sale pot fi explicate pe baza teoriei sale propuse cuantică a efectului fotoelectric. Conform frecvenței Einstein a luminii v emisă nu numai, așa cum a sugerat Plank (a se vedea. § 200), dar, de asemenea, se extinde în spațiul ipogloschaetsya substanță în porții individuale (fotoni), dintre care energia 0 = hv. Astfel, distribuția luminii nu trebuie privită ca un proces de undă continuă, iar fluxul de spațial localizate cuante de lumină discretă, se deplasează cu viteza de propagare a luminii în vid. electromagnetice Quanta radiații se numesc fotoni.
Potrivit lui Einstein, fiecare foton este absorbit de un singur electron. Prin urmare, numărul de fotoelectroni rupte ar trebui să fie proporțională cu intensitatea luminii (I lege fotoelectric). efect Noninertially fotoelectric datorită faptului că transferul de energie în coliziunea unui foton cu un electron este aproape instantaneu.
din energia fotonilor incidenti este utilizat pentru a efectua o funcție lucrare de electroni din metal A (a se vedea. § 104) și o energie cinetică a fotoelectronilor emiși mv 2 max / 2. Conform legii de conservare a energiei,
Ecuația (203.1) este ecuația Einstein pentru PhotoEffect extern.
ecuația lui Einstein poate explica II și III ale legilor efectului fotoelectric. De la (203.1) rezultă în mod direct că energia cinetică maximă a fotoelectronilor crește liniar cu frecvența radiației incidente și nu depinde de intensitatea acestuia (numărul de fotoni), pentru că nici A, nici v pe intensitatea luminii nu depinde de (II legea efectului fotoelectric). Pe măsură ce frecvența scade, energia cinetică a fasciculului fotoelectronilor este redusă (pentru un anumit de metal A = const), că, atunci când o frecvență suficient de mică v = energia cinetică v0 a fotoelectron este egal cu zero și se oprește efectul fotoelectric (IIIzakon efect fotoelectric). Conform celor de mai sus, de la (203.1) că
și există un prag fotoelectric pentru un anumit metal. Depinde numai de funcția de lucru de electroni, adică. E. În natura chimică a substanței și starea suprafeței sale.
Expresia (203.1) pot fi scrise utilizând (202.1) și (203,2), sub formă de
ecuația lui Einstein a fost confirmată prin experimente de Millikan. În aparatul său (1916) din suprafața metalică este supusă la curățare în vid. Dependența de energia cinetică maximă a fotoelectronilor (U0 modificat de tensiune de retardare (a se vedea. (202.1)) a frecvenței V și determinat constanta lui Planck. In 1926, fizica românească P. I. Lukirsky (1894-1954) și SS Prilezhaev pentru cercetare metoda PhotoEffect aplicat vid sferic anod condensator în instalarea lor au fost placate peretele unui balon sferic din sticlă, iar catod - .. bila (R 1,5 cm) din metal de testare plasat în centrul sferei altfel de circuit nu este fundamental diferită de cea n descrisă și Fig. 289. Această formă a electrozilor a crescut panta caracteristicilor curent-tensiune și astfel determina mai precis U0 tensiune întârziere (și deci h). Znachenieh obținute din aceste experimente sunt în concordanță cu valorile găsite în alte metode (pentru radiația de negru corp (§ 200) și unde scurte de delimitare a spectrului de raze X continuă (§ 299).) Toate acestea sunt o dovadă a corectitudinii ecuațiile lui Einstein, și în același timp, și teoria sa cuantică a efectului fotoelectric.
Dacă intensitatea luminii este foarte mare (raze laser;., Vezi § 233), este posibil ca multiphoton (neliniar) efectul fotoelectric, în care electronul emis de deșeuri de fier vechi nu pot primi simultan energia de la unul, și fotoni de la N (N = 27) . ecuația lui Einstein pentru efectul fotoelectric multiphoton
In experimentele cu o densitate de fotoni concentrat fascicul laser este foarte mare, astfel încât electronul poate absorbi nu doar una, ci câțiva fotoni. Electronul poate dobândi energia necesară pentru eliberarea unei substanțe, chiar de lumină cu frecvență la marginea roșie - prag de fotoni efectul fotoelectric. Ca urmare, limita de culoare roșie este deplasată spre lungimi de undă mai lungi.
ideea lui Einstein de propagare a luminii sub forma unui flux de fotoni individuali și natura cuantică a interacțiunii radiațiilor electromagnetice cu materia a fost confirmată în 1922 de experimente A. F. Ioffe și NI Dobronravov. În electric condensatorul plan câmp încărcat grăunte echilibrată de bismut. Placa inferioară a condensatorului a fost realizat din folie de aluminiu foarte subțire, care a fost în același timp în miniatură cu raze X Tub anod. Anodul este bombardat de accelerat la 12 kV fotoelectronilor emisi de catod sub acțiunea radiațiilor ultraviolete. Iluminarea catodului a fost ajustată astfel încât slab Thereof 1 cu doar 1000 explozie de fotoelectroni, și, prin urmare numărul de impulsuri cu raze X a fost 1000 în 1 s. Experiența a arătat că, în medie, la fiecare 30 min Mote echilibrat de echilibru, t. E. Razele X photoelectron eliberat din acesta.
În cazul în care raze X propaga sub forma undelor sferice, mai degrabă decât fotonii individuale, fiecare impuls de raze X ar paiul a dat o foarte mică parte din energia sa, care ar putea fi distribuite, la rândul său, între un număr foarte mare de electroni conținute în particula de praf. Prin urmare, atunci când un astfel de mecanism este dificil de imaginat că unul dintre electronii într-un timp mai scurt de 30 de minute, se poate acumula suficientă energie pentru a depăși funcția de lucru a particulelor de praf. Dimpotrivă, din punctul de vedere al teoriei corpusculare posibile. Deci, în cazul în care radiația cu raze X este distribuit ca un flux de fotoni discrete, electronul este scos din particulele de praf numai atunci când un foton este hit-uri. calcul elementar pentru condiții selectat arată că o medie de un foton este adjudecată Mote de 1,810 6. De la 1 1000 fotonii emiși, scamele medie va primi un foton la 30 de minute, ceea ce este în concordanță cu rezultatele experimentale .
Dacă lumina este un flux de fotoni, fiecare foton care intră în dispozitivul de înregistrare (ochi, o fotocelulă) ar trebui să declanșeze o acțiune independent de celelalte fotoni. De asemenea, înseamnă că înregistrarea fluxurilor slabe de lumină ar trebui să fie observate în fluctuațiile lor de intensitate. Aceste fluctuații sunt fluxuri slabe de lumină vizibilă de fapt observate S. I. Vavilovym. Observațiile au fost făcute vizual. Ochi adaptat la întuneric, are un prag relativ ascuțit senzație vizuală, t. E. lumină a cărei intensitate percepe nu este mai mică decât un anumit prag. Pentru lumina cu = 525 nm, pragul de senzație vizuală corespunzătoare de persoane diferite despre 100-400 fotoni care se încadrează pe retină pentru 1 s. S. I. Vavilov observat repetarea periodică flash de lumină de durată egală. Odată cu scăderea fluxului luminos, unele blitz nu mai este percepută de ochi, care a fost mai slabă decât fluxul luminos, cu atât mai mare golurile focare. Acest lucru se datorează fluctuațiilor de intensitate a luminii, de ex., E. Numărul de fotoni exercitate de accidentale cauze mai puțin de o valoare de prag. Astfel, experiența Vavilov- a apărut clar natura confirmare cuantică a luminii.